基于单片机的太阳能杀虫灯绿色防控系统的设计研究Word下载.docx
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3.4β-FeSi2层掺杂浓度对太阳能电池特性的影响 28
3.5温度对太阳能电池特性的影响 30
3.6本章小结 31
第四章太阳能光伏发电系统的容量设计 33
4.1光伏发电系统容量的影响因素 33
4.2太阳能电池方阵容量计算 33
4.3蓄电池容量计算 36
4.4以贵阳地区为例的容量设计 37
IV
4.4.1我国主要城市的辐射参数 37
4.4.2太阳能杀虫灯系统组件 38
4.5本章小结 41
第五章太阳能杀虫灯控制器的设计 42
5.1太阳能杀虫灯控制器的工作原理 42
5.1.1串联型充放电控制器 42
5.1.2并联型充放电控制器 43
5.2AT89S52单片机构成的控制器 44
5.2.1AT89S52型单片机系统简介 45
5.2.2AT89S52型单片机最小系统设计 47
5.2.3充放电电路 49
5.2.4电压采集电路 50
5.2.5A/D转换电路 50
5.2.5显示电路 52
5.2.6温湿度采集模块 54
5.2.7控制器整体电路原理图 56
5.3太阳能杀虫灯充放电控制器的软件设计 56
5.3.1控制器整体设计思路 57
5.3.2白天控制流程 58
5.3.3夜晚控制流程 60
5.3.4温度补偿 61
5.4本章小结 62
第六章太阳能杀虫灯的外观设计与系统测试 63
6.1太阳能杀虫灯的三维结构设计 63
6.1.1Solidworks软件简介 63
6.1.2太阳能杀虫灯整体结构图 63
6.1.3太阳能杀虫灯分离结构图 65
6.2太阳能杀虫灯的二维图设计 68
6.2.1AutoCAD软件简介 68
6.2.2太阳能杀虫灯二维结构图 68
6.3太阳能杀虫灯系统的测试 71
6.3.1系统的充电测试 71
6.3.2系统的放电测试 72
6.4本章小结 72
第七章总结与展望 73
7.1总结 73
7.2展望 74
致谢 75
参考文献 76
附录 80
原创性声明 81
基于单片机的太阳能杀虫灯绿色防控系统的设计研究
摘要
随着人们对绿色产品的追求越来越高，化学防治害虫的方法将逐步被物理防治、生物防治、综合治理等方法取代。
另一方面，传统能源日渐枯竭，需要开发清洁可持续的新能源，而太阳能将成为未来最理想的绿色能源。
开发太阳能杀虫灯绿色防控系统既能达到物理杀灭害虫的目的，又能开发利用新能源。
本文以太阳能杀虫灯装置为基础，对太阳能电池特性、光伏发电系统容量、充放电控制器及杀虫灯装置外观进行了系统的研究。
设计了基于单片机的太阳能杀虫灯绿色防控系统。
1、运用AMPS软件对n-β-FeSi2/p-Si结构的异质结太阳能电池进行模拟，模拟结果表明β-FeSi2层的厚度、掺杂浓度以及改变太阳能电池的工作温度均会影响电池性能。
2、计算了杀虫灯防控系统在贵阳地区使用时所需要的太阳能光伏发电系统的容量。
3、以AT89S52单片机作为主控芯片，设计了太阳能杀虫灯控制器的硬件电路和软件控制流程。
4、运用Solidworks软件设计了太阳能杀虫灯三维结构图，同时运用AutoCAD
设计了太阳能杀虫灯的二维平面尺寸图，
5、完成太阳能杀虫灯系统的充放电测试。
关键词：
太阳能；
杀虫灯；
光伏发电容量；
控制器；
外观设计
Abstract
Aspeoplepursuitofthegreenproducts,chemicalcontrolofinjuriousinsectwillgraduallybereplacedbyphysicalcontrol,biologicalcontrol,andintegratedpestmanagement.Inaddition,becauseoftraditionalenergydraining,cleanandsustainablenewenergyisneededtodevelopandthesolarenergywillbecomethemostidealgreenenergyinthefuture.Developmentofsolarinsecticidallampgreenpreventionandcontrolsystemnotonlycanachievethepurposeofkillinginjuriousinsectbutalsodevelopandusenewenergy.
Inthispaper,basedonthesolarinsecticidallampdevice,designedthesolarcellpropertiesandphotovoltaicpowergenerationsystemcapacityandresearchedtheappearanceofcharginganddischargingcontrollerandsolarinsecticidallampdevice.Anddesignthesolarinsecticidallampgreenpreventionandcontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputer.
1.Then-β-FeSi2/p-SiheterojunctionsolarcellwassimulatedbasedonAMPSsoftware．Theinfluencesoftheβ-FeSi2layerthickness,dopingconcentrationandbatteryoperatingtemperatureonthesolarbatteryperformancewerediscussed.
2.CalculatingthecapacityofsolarphotovoltaicpowergenerationsystemwhoseispartofsolarinsecticidallampssysteminGuiyangwhenitisinuse.
3.BasedonAT89S52singlechipmicrocomputerasmaincontrolchip,thethesisdesignedsolarinsecticidallampcontrollerhardwarecircuitandsoftwarecontrolflow.
4.UsingSolidworkssoftwaredesignedthe3Dstructuredrawingofsolarinsecticidallamp.AndusingAutoCADdrew2Dstructure.
5.Finishthesolarinsecticidallamptest.
KeyWords：
Solarenergy,Insecticidallamp,Photovoltaicpowercapacity,Controller,Appearancedesign
第一章绪论
1.1课题背景与意义
在人类发展历史上，害虫在农业、林业上的危害，严重阻碍了农林业产品产量的提高。
在过去治理害虫时，化学农药起着重要的作用，在很大程度上杀灭了害虫，减少了害虫对农业、林业的危害。
但是利用化学农药防治害虫会使得在杀灭害虫的同时，也导致害虫的抗药性越来越强，而且由于长期使用化学农药，导致农产品农药残留严重超标，影响了人体健康，对环境也造成了严重的污染，还造成了生态环境的恶化、生物多样性和生态平衡的破坏等。
化学农药的使用已经成为危害人类健康、破坏生态平衡的一大隐患。
随着社会的发展，人们生活水平的提高，人们越来越注重饮食的健康安全和保护生态系统的平衡。
这必然要求减少对化学农药的使用，但同时又要减少害虫对农业、林业的危害。
这就使得在害虫的防治上必须由化学防治转变为物理防治、生物防治、综合治理等。
随着科技的进步，诱虫灯在农业、林业上的使用越来越广泛，并取得了显著的成效。
另一方面，随着社会的发展，能源的消耗越来越多，而石油、天然气、煤等一次性能源的储备是有限的。
尤其是近年来，能源危机日益严重，根据《BP世界能源统计年鉴2015》的统计数据，2014年全球已经探明的石油总量为1.7001万亿桶、天然气总量为187.1万亿立方米、煤炭总量为8915.31亿吨[1]。
按照现
在的开采速度，煤炭能开采220余年，天然气可开采60余年，而石油的剩余储
备量只够开采40余年。
不仅如此，石油天然气等化石燃料的使用还会产生大量的固体颗粒和二氧化硫等有害物质，使大气中的有害固体颗粒和气体浓度增加，导致酸雨、雾霾等恶劣天气的产生，它们不仅会对物质有腐蚀性，还会对人类的健康产生恶劣的影响，同时给生态系统造成直接的破坏和影响。
为了解决能源问题和解决传统能源使用带来的环境污染问题。
人类必须开发使用可再生能源和绿色能源，从而实现人类的可持续发展[2]。
人类可以利用的绿色可再生资源有：
1、太阳能：
太阳是地球周围的星球当中的大火球，太阳就是一个巨大的核反应堆，其内部会产生核反应，并产生巨大的能量向四周辐射。
这些辐射的能量
85
为地球提供了巨大的能量，太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧10万吨煤所产生的能量。
换句话说就是太阳是个取之不尽用之不竭的能量库[3]，地球可以得到源源不断的太阳能。
2、风能：
空气的流动形成风。
风能主要是将动能转化为其他形式的能量[4]。
现在风能的利用主要是风力发电。
3、生物能源：
生物能源的种类较多，通常是指生物活动而产生的可再生能源，包括可燃气体（沼气、氢气）和可燃液体（油脂、乙醇）[5]。
4、海洋能：
海洋能的形式主要以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中[6]。
目前，人类开发利用的诸多可再生绿色能源中，太阳能具有很多独特的优势和广阔的应用前景。
全球各国正在加大对太阳能的研究力度。
专家们认为，太阳能是21世纪最符合可持续发展战略的绿色理想能源。
因此，太阳能杀虫灯的使用既可以达到物理杀灭害虫的目的，又可以利用洁净的新能源达到保护环境的目的。
1.2太阳能光伏发电的利用
太阳能很早就被人类所熟知。
我国在春秋战国时期就知道利用凹面镜聚光来点火。
西方的阿基米德用“死光”抵御罗马军队的入侵，这种“死光”也同样是将太阳能聚集起来产生高温，将物体点燃。
太阳能作为21世纪最重要的可持续发展的绿色理想能源，受到了全球的广泛关注，为了缓解能源问题和环境恶化的问题，人们对太阳能的利用进行了深入的研究和开发[7]。
如今，太阳能的利用包括太阳能的光化学利用和光热利用，太阳能在全球的利用已经非常的广泛。
太阳能光伏发电已经越来越受到各国关注。
如今，全球各国都加大了对光伏产业的投入，大力发展太阳能光伏。
1.2.1太阳能利用的优点
太阳能作为一种新能源，与常规能源相比，具有以下三大优势[8]。
1、太阳能是人类目前能利用的资源当中，最丰富的资源。
根据天文学家的估计，太阳的寿命还有100亿年，而且目前正处于稳定期。
可以源源不断的为地球提供稳定的能源，对人类而言，太阳能是取之不尽用之不竭的能源。
2、太阳能可以照射到世界上的各个地方，对于边远的山区以及海岛等地方，可以很方便的就地开发利用，这样可以节约成本，同时也可以节约人力物力。
在这些地区具有很高的利用价值。
3、太阳能还是一种洁净的能源。
由于太阳能的开发和利用不会产生有害物质，这非常有利于生态环境的保护，有利于人类的健康和生态的平衡。
1.2.2国际太阳能光伏发电的发展
人们对太阳能发电的研究发展史如表1-1所示。
光伏发电技术的研究起源于
19世纪“光生伏打效应”的发现。
法国物理学家贝克乐尔（Becqurel）在1839年发现，当光线照射在由两片浸泡在溶液当中的金属所构成的电池时，这个电池会产生额外的电势差[9]。
“光生伏打效应”简称“光伏效应”。
1873年，英国科学家通过对硒材料的观察，观察到了硒材料对光的敏感性，从而推断出了在有光照的条件下，光通量和硒的导电能力呈正比例关系。
由此为光伏器件的制造奠定了基础，“光伏器件”通常指的是能够产生光生伏打效应的器件，而在阳光照射下半导体结器件的光电转换效率最高，因此将这类半导体结器件成为“光伏电池”。
表1-1太阳能发电发展史[10]
年代
成就
1839
发现光伏效应
1873
硒的光伏效应研究
1904
Cu、Cu2O对光的敏感性研究
1940
PN结理论的研究
1954
单晶硅太阳能电池发明（美国贝尔实验室）
1955
CdS太阳能电池发明
1956
GaAs太阳能电池发明
1958
在先驱者1号通讯卫星上应用太阳能电池
1972
美国制订新能源开发计划
1974
日本制订太阳能发电发展的―阳光计划‖
1976
非晶硅太阳能电池的发明
1984
美国7MW太阳能发电站建成
1985
日本1MW太阳能发电站建成
1991
制定再生新能源发电与公共电力网并网法规（德国）
1992
制定逆潮流供电与公共网并网法规（日本）
1994
住宅用太阳光发电系统技术规程（日本）
2003
RPS法（新能源法案）（日本）
1954年，在美国贝尔实验室恰斌（Chapin）等人首次利用硅晶材料制成了实用性能较好的单晶硅太阳能电池，这种单晶硅太阳能电池的转换效率为6%，6%的转换效率在当时已经是非常高的了。
在这一单晶硅太阳能电池的基础上经过优化和改良，得到了现在太阳能电池的原型，太阳能转换为电能的实用光伏发电技术从此诞生[11]。
硅太阳能电池最早应用在人造卫星先驱者1号（美国）的电源上。
之后应用于孤岛灯塔、边远地区的无线电中继站等特殊场合。
1976年，非晶硅太阳能电池被发明，其发明人美国CA公司的卡尔发现该电池在制造时可以根据产品的具体需要来选择电压电流比，虽然该电池的转换效率低于单晶硅太阳能电池，但是由于有可以任意选择电压电流比的特点，这种电池可以广泛的应用于家电、手表和计算机等各种电子产品当中[11]。
20世纪70年代以后，在工业迅猛发展的同时，环境污染、生态失衡和传统能源枯竭等全球性问题日益突出。
另一方面，虽然世界有了长足的发展，但是仍然有将近20亿人，尤其是贫穷落后地区的人们不能得到正常的能源供应。
因此，洁净环保的可再生能源成为了人们关注的焦点。
太阳能也因其独有的优势成为了全球开发利用的重点。
世界各国针对太阳能利用出台了一系列的政策。
美国制订了世界上第一个光伏发电发展规划，并于1997年提出了“百万屋顶”计划[12]。
德国在1991年颁布了再生新能源发电与公共电力网并网法规，从法律意义上规定了电力公司以合理的价格收购太阳能发电的多余电量[13]。
日本于1992年启动了“新阳光”计划，并于2003年出台RPS法（新能源利用的特别措施），设立市民安装小型太阳能发电装置的资金补贴，世界前十大厂商有4家在日本[13]。
其他国家尤其是欧洲的发达国家也制定了相应的光伏发展计划，并且投入大量的资金对光伏技术进行
开发和改进[13]。
1.2.3我国太阳能光伏发电的发展
1958年，我国开始了对太阳能电池的研究，我国的第一颗具有实用价值的
太阳能电池于1959年研制成功[14]。
单晶硅太阳能电池也于1979年开始投入生
产。
到了20世纪80年代，国外的太阳能电池关键设备及生产线开始引进我国，使我国的光伏产业得到了快速的发展，当时的太阳能光伏产业生产能力达到4.5MW[15]。
到了20世纪90年代，我国的太阳能电池及其组件逐年增加，我国的光伏发电产业也进入稳步发展的时期[15]。
我国的光伏发电产业在21世纪初开始进入快速发展的阶段。
我国实施了一系列的太阳能光伏发电技术项目工程。
其中，“光明工程”项目和“送电到乡”工程于2002年开始实施；
“送电到村”工程于2006年实施[16]。
到了2007年底，
经过半个世纪的发展，我国从事太阳能电池产业的相关企业有50多家，我国的太阳能光伏发电系统累计装机容量达到100MW，而太阳能电池的年发电量也达到了1188MW[2]。
2009年开始，又推出太阳能光电建筑应用示范项目和金太阳示范工程[17]。
从《可再生能源中长期发展规划》得到的数据得知：
我国计划到2020年使太阳能发电装机容量达到1.8GW；
而2050年，我国的太阳能发电装机容量预计达到600GW；
同时在2050年，我国的电力装机总量中将有25%属于可再生能源的电力装机，其中将有5%的电力装机属于光伏发电装机[18]。
1.2.4我国太阳能的分布情况
我国幅员辽阔，太阳能在我国不同地区的分布情况差别非常大，表1-2是我国太阳能资源分区及其分布特征。
表1-2我国的太阳能资源分区及分布特征[19]
分区
太阳辐射量
/[MJ]/（m2·
a）
主要地区
月平均气温≥10℃、
日照时数≥6h的天数
资源丰富区
≥6700
新疆南部、甘肃西北一角
275左右
新疆南部、西藏北部、甘肃西部、内蒙古
巴彦淖尔盟西部、青海一部分
275-325
青海南部、西藏大部
250-300
青海西南部
250-275
内蒙古巴彦淖尔盟、乌兰察布盟、鄂尔多
斯一部分
＞300
资源较富区
5400-6700
新疆北部
内蒙古呼伦贝尔、陕西北部、甘肃东部一
部分
225-275
内蒙古锡林郭勒盟、乌兰察布盟、河北北
部一隅
＞275
山西北部、河北北部、辽宁部分、北京、
天津、山东西北部
内蒙古鄂尔多斯大部分
275-300
青海东部、甘肃南部、四川西部
200-300
四川南部、云南北部一部分
200-250
西藏东部、四川西部、云南北部一部分
＜250
福建、广东沿海一带
175-200
海南
225左右
资源一般区
4200-5400
山西南部、河南大部分及安徽、山东、江
苏部分
黑龙江、吉林大部分
吉林、辽宁、长白山地区
湖南、安徽、江苏南部、浙江、江西、福
建、湖北、广东北部和广西大部分
150-175
资源一
般区
湖南西部、广西北部一部分
125-150
陕西南部、四川西部
125-175
资源贫乏区
＜4200
云南西南一部分
云南东南一部分
175左右
贵州西部、云南东南一隅、广西西部
四川、贵州大部分
＜125
成都平原
＜100
1.3杀虫灯的发展历程
杀虫灯杀灭害虫主要是利用翅类昆虫具有趋光性的特点，利用灯光将害虫吸引至光源附近，再利用其它方式将害虫杀灭[20]。
人们通过“飞蛾扑火”的现象观察到昆虫的趋光性，并渐渐的开始利用光源来诱杀害虫[21]。
一方面，人们对环境保护意识的提高，使人们将利用化学药品杀灭害虫的方式逐步转移到物理杀虫灯的方式上；
另一方面，科学技术水平不断提升，使杀虫灯得以问世，并且成为防治农业、林业害虫的重要手段。
经过不断的改善和发展，杀虫灯已经有了很多类型的产品。
下面介绍杀虫灯发展历程中各个阶段的代表产品。
1.3.1白炽灯
一开始使用的白炽灯，算是最早的杀虫灯。
20世纪50年代，我国曾出现过大规模利用白炽灯来进行杀虫[21]，不过收效甚微。
由于白炽灯所发出光对昆虫的吸引有限，而且利用白炽灯作为光源来吸引并杀灭害虫既消耗巨大的人类物力，又得不到理想的效果。
1.3.2黑光灯
到了20世纪60年代，科学技术的发展带动了杀虫灯的发展，科研人员研制出了黑光灯[22]。
黑光灯利用特殊气体放电并发出人类不敏感的紫外光和紫光，并配以高压电网。
在农业上，黑光灯是第一款能够在国内外得到广泛应用的杀虫灯。
黑光灯发出能够吸引害虫波段的光线将害虫吸引至灯的周围，然后利用高压电网的高压将其击毙[21]。
由于人类对黑光灯发出的光线不敏感，因此将其称为黑光灯。
目前，黑光灯被广泛的应用于森林害虫的趋光性测报方面。
在众多的测
报调查方法当中，黑光灯测报是目前最有效、最实用的一种。
不过黑光灯发出的光波段只有一种，同时其安装非常的不方便，因此在杀虫灯应用方面非常有限。
1.3.3高压汞灯
高压汞灯是继黑光灯之后，又一款在20世纪60年代研制出来的产品。
高压汞灯的灯源是经过特制的，这种光源辐射出来的光谱能够被昆虫所感知，而且对人体和环境不会造成伤害。
高压汞灯是一种集害虫种类调查、测报及诱杀于一体的杀虫灯[23]。
高压汞灯有众多的优点：
辐射面积大、亮度高，而且诱虫效果比黑光灯好很多。
但是高压汞灯的缺点也同样突出：
由于灯泡需要电源的电压很高，耗电量很大，因此对人畜的安全性较差，同时要耗费较多的能源；
而且高压汞灯需要很大的安装面积。
因此，高压汞灯只能安装在电源附近，这些突出的缺点也限制了其使用。
1.3.4频振式杀虫灯
频振式杀虫灯于20世
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